大电流/高速LED驱动器彻底改变了PWM调光

作者： Josh Caldwell 凌力尔特公司

引言
在许多照明应用中，人们都采用了能够产生已调大电流脉冲的功率驱动器，从 DLP 投影机中的大电流 LED到高功率激光二极管等等。例如：在高端视频投影机中，高功率 LED 用于产生彩色照明。这些投影机中的 RGB LED 需要精准的调光控制以实现准确的彩色混合 ── 在该场合中，除了简单的 PWM 调光以外，还能够提供更多的控制功能。通常，为了实现彩色混合中所要求的宽动态范围，LED 驱动器必须要能够在两种完全不同的已调峰值电流状态之间快速切换，并叠加 PWM 调光而不造成任何损坏。LT3743 能够满足这些苛刻的准确度和速度要求。

LT3743 是一款同步降压型 DC/DC 控制器，它运用固定频率、平均电流模式控制，以通过一个与电感器相串联的检测电阻器准确地调节电感器电流。在一个 0V 至"低于输入电压轨 2V"的输出电压范围内，LT3743 能够以 ±6% 的准确度来调节任意负载中的电流。
 

通过把准确的模拟调光 (高光度状态和低光度状态) 与 PWM 调光组合起来，实现了精准、宽范围的 LED 电流控制。模拟调光通过 CTRL_L、CTRL_H 和 CTRL_T 引脚来控制；PWM 调光则通过 PWM 和 CTRL_SEL 引脚来控制。通过采用在外部进行开关操作的负载电容器这种独特的做法，LT3743 实现了高和低模拟状态之间的快速变换，从而能够在几 μs 的时间内改变已调 LED 电流水平。开关频率可以在 200kHz 至 1MHz 的范围内进行设置 (通过采用一个外部电阻器) 和同步至一个频率范围为 300kHz 至 1MHz 的外部时钟。

开关输出电容器拓扑结构
在传统的电流调节器中，负载两端的电压存储于输出电容器之中。如果负载电流突然改变，则输出电容器中的电压必须进行充电或放电以与新的已调电流相匹配。在转换期间，负载中的电流未得到良好的控制，因而导致了缓慢的负载电流响应时间。

LT3743 通过采用一种独特的开关输出电容器拓扑结构解决了这一问题，该拓扑结构实现了超快的负载电流上升和下降时间。这种拓扑结构背后的基本概念是：LT3743 起一个已调电流源的作用，负责向负载提供驱动电流。对于某个给定的电流，负载两端的电压降存储于第一个开关输出电容器中。当需要一种不同的已调电流状态时，将第一个输出电容器关断，并接通第二个电容器。这使得每个电容器能够存储与期望已调电流相对应的负载电压降。

图 1 示出了具有各种控制引脚的基本拓扑结构。PWM 和 CTRL_SEL 引脚为数字控制引脚，用于确定已调电流的状态。CTRL_H 和 CTRL_L 引脚是具有一个 0V 至 1.5V 全标度范围的模拟输入，可在电流检测电阻器两端产生一个 0mV 至 50mV 的已调电压。

 
图 1：基本的开关电容器拓扑结构

图 2 示出了对应于 PWM 和 CTRL_SEL 引脚各种不同状态的定时波形。当 PWM 为低电平时，所有的开关操作将被终止，而且两个输出电容器均与负载断接。

 
图2：LED 电流 PWM 和 CTRL_SEL 调光

尽管 LT3743 可以采用开关输出电容器来配置，但它能够很容易地适应任何传统的模拟和/或 PWM 调光方案。

开关周期同步
LT3743 使所有的开关脉冲边沿同步至 PWM 和 CTRL_SEL 上升沿。同步赋予了系统设计师采用任意周期或非周期 PWM 调光脉冲宽度和占空比的自由度。对于大电流 LED 驱动器而言，这是从零电流或低电流状态恢复至高电流状态过程中必不可少的特点。通过在 CTRL_SEL 或 PWM 信号变至高电平时重新起动时钟，电感器电流将立即开始斜坡上升，而无须等待一个时钟上升沿。未采用同步时，时钟脉冲沿和 PWM 脉冲沿的相位关系将不受控制，因而有可能在 LED 光输出中引起明显的抖动。当采用一个具 SYNC 引脚的外部时钟时，开关周期将在 8 个开关周期之内重新同步至外部时钟。

一款适合高端 DLP 投影机、采用开关输出电容器的 24V、20A LED 驱动器
高端 DLP 投影机要求极高质量的图像和彩色重现。为了实现高的彩色准确度，各个 LED 当中的彩色偏差是通过混入其他两个彩色 LED 的色彩来校正的。例如：当红光 LED 处于满电流导通状态时，蓝光和绿光 LED 将以低电流水平接通，这样它们就能够被混入以产生准确的红光。这种方法需要具备在较低 (约 2A) 和较高 (约 20A) LED 电流之间进行快速转换的能力，以保持 PWM 调光脉冲沿。图 3 示出了一款专供高端 DLP 投影机使用的 24V/20A LED 驱动器。

 
图3：采用开关输出电容器的 24V/20A LED 驱动器

450kHz 的较低开关频率允许使用一个非常小的 1.0μH 电感器。在 25% 纹波电流条件下，高电流状态与低电流状态之间的转